GYMNÁZIUM J. G. TAJOVSKÉHO,BANSKÁ BYSTRICA

Richard Beer, 3. F2012/2013

ZÁKLADY JADROVEJ FYZIKY

ÚVOD

Základy jadrovej fyziky - nukleárne reakcie :

jadrová fúzia jadrová štiepna reakcia

JADROVÉ REAKCIE

deje, ktoré nastanú pri zrážkach jadier atómov so základnými časticami alebo inými atómovými jadrami

mení sa štruktúra jadier pri zachovaní počtu nukleónov, elektrického náboja, hybnosti a relativistickej celkovej energie

A + a → B + b + Er

reakcia sa využíva v jadrovom reaktore

ŠTIEPENIE JADIER

môže sa priblížiť dostatočne blízko k jadru atómu, aby ho pritiahli jadrové sily

zmena počtu nukleónov jadra vyvolá jadrové reakcie

sklenená ampulka s rádioaktívnym plynom radónom a berýliovým práškom

keďže radón v ampulke je nestabilný, jeho jadro sa rozpadá. Okrem iného žiarenia z jadra unikajú α častice (jadrá hélia ).

Neutrón je neutrálny Ako získať neutrón z látky?

Tieto častice pri zrážkach s jadrami berýlia vyvolajú jadrovú reakciu

Častice α, ktoré nezreagujú s jadrami berýlia sa zastavia na skle. Sklo však nepohltí uvoľnené neutróny, ktoré majú šance naraziť do jadier iných prvkov a vyvolať ďaľšie jadrové reakcie

Ak by sme ponorili túto sklenenú ampulku do vody alebo ťažkej vody, unikajúce neutróny by sa spomalili a mali by väčšie šance naraziť do jadra (pri vysokých rýchlostiach by sa pravdepodobne odrazili), s ktorým by mohli zreagovať

Jadrá, ktoré takto vznikajú sú rádioaktívne (nestabilné) a vyžarujú častice α (jadrá hélia), β (elektróny, prípadne pozitróny) a γ (fotóny s vysokou energiou)

Je viac reakcí s 235U ale, väčšina má spoločné uvoľňovanie energie okolo 200MeV (závisí od rozdielov vv v konkrétnej reakcii) a vznik ďaľších neutrónov, schopných zreagovať s ďaľšími jadrami uránu, z ktorého zasa vyletia neutróny...

Takto vzniká reťazová reakcia, kde sa stále zvyšuje počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a uvoľnuje sa stále viac energie

3 VYUŽITIE REŤAZOVEJ REAKCIE Reťazová reakcia je charakteristická tým, že sa pri

nej lavínovite zvyšuje počet uvoľnených neutrónov, ktoré sa uvoľnia za sekundu

Zvýši sa tým pádom aj počet reakcií, ktoré prebehnú za sekundu a energia, ktorá sa za sekundu uvoľní

Ak by sme chceli jadrovú energiu využiť napríklad v elektrárni, museli by sme zabezpečiť, aby sa ani nezvyšoval ani neznižoval počet reakcí za sekundu. Pri zvyšovaní rýchlosti reakcie a dostatku štiepitelných jadier by sa uvoľnená energia začala prejavovať na zvýšení teploty reaktora

Tá by rýchlo rástla a s ňou aj tlak v reaktore. Po čase by reaktor vybuchol

Rýchlosť jadrovej reakcie našťastie vieme ovládať napríklad brzdiacimi tyčami z kadmia

Tie by pohltili väčšinu neutrónov a reakcia by sa vrátila do zvládnuteľných noriem

Teplo reaktoru odvádza voda, ktorá reaktor chladí. Tá ako para roztáča turbíny, ktoré produkujú elektrický prúd

Pri jadrových bombách je potrebné, aby počet reakcí za sekundu stále stúpal, až kým by tlak a teplota bombu neroztrhli a tá by nevybuchla

Na zvýšenie počtu reakcií musíme zvýšiť šancu nárazu neutrónu do jadra uránu

Tú môžme zvýšiť, keď jadrové palivo stlačíme To sa dá urobiť napríklad výbuchom TNT okolo uránu Pod vrstvou uránu je emitér neutrónov (dá sa použiť aj

vyššie spomenutá ampulka s radónom a berýliom). Emitér neutrónov by síce podnecoval jadrové reakcie uránu ,ale pokiaľ urán nie je stlačený, pravdepodobnosť reťazovej reakcie je malá.

Urán vieme stlačiť výbuchom TNT (alebo aj inej chemickej výbušniny)

V stlačenom uráne by už pravdepodobnosť reťazovej reakcie bola veľmi veľká a bomba by v zlomku sekundy vybuchla

Kým bomba vybuchne, stihne sa zpotrebovať len malé percento uránu

Po výbuchu už reakcia neprebieha kvôli skoro nulovým pravdepodobnostiam zásahu jadra neutrónom.

Aj v reaktoroch, aj po výbuchu jadrovej bomby ostanú po reakcií nestabilné jadrá, ktoré rozpadajú a uvoľňujú emisie α, β a γ žiarenia

4 JADROVÁ FÚZIA Fúzia je jadrový proces, pri ktorom sa dve ľahké

jadrá zlučujú na ťažšie jadrá Napríklad, fúzia je veľmi dôležitá pri

termonukleárnych zbraniach a v budúcnosti budú jadrové reaktory pracovať na princípe reakcie medzi dvoma izotopmi vodíka, ktoré utvoria izotop hélia.

   2H + 3H ----> 4He + n

(MATIS, J. 2003. Glossary of Nuclear Science, [online], 2003. [Cit. 2009-09-10]. Dostupné na:<http://ie.lbl.gov/education/glossary/AnimatedDecays/Fusion.html>)

Táto reakcia uvoľní miliónkrát viac energie ako typická chemická reakcia

Pri termojadrovej reakcií sa uvoľní také veľké množstvo energie, pretože, keď dve ľahké jadrá zreagujú, hmotnosť produktov je menšia ako súčet hmotností jadier vstupujúcich do reakcie

Einsteinova rovnica E=mc2 nám opäť vysvetľuje, že hmotnosť, ktorá sa stratila, sa vlastne premenila na energiu termojadrových produktov

Fúzia je energicky priaznivá reakcia ľahkých jadier, ktoré sa nevyskytujú v bežných podmienkach tu na Zemi, pretože vyžadujú veľké dávky energie na ich prebehnutie

Vzhľadom k tomu, že reagujúce jadrá sú kladne nabité, sú medzi nimi veľké odpudzujúce elektrostatické sily pokiaľ sa nachádzajú v tesnej blízkosti

Iba v prípade, že sú veľmi blízko, pôsobí na obidve jadrá silná jadrová sila, ktorá môže prekonať elektrostatické odpudzovanie a spôsobiť fúziu

Termonukleárne reakcie boli deje prebiehajúce už miliardy rokov v našom vesmíre

V skutočnosti je to jadrová termonukleárna reakcia, ktorá je zodpovedná za energetický výkon väčšiny hviezd, vrátane nášho Slnka

Vedci na Zemi sú schopní zabezpečiť termonukleárne reakcie len  posledných šesťdesiat rokov

Spočiatku prichádzalo k termonukleárnym reakciám iba v malom meradle

Avšak tieto prvé pokusy neskôr viedli k vývoju zbraní pracujúcich na báze jadrovej fúzií (vodíková bomba)    

 Fúzia je proces, ktorý prebieha vo hviezdach ako je naše Slnko. Kedykoľvek cítime teplo zo slnka a vidíme jeho svetlo,

pozorujeme produkty jadrovej fúzie. Vieme, že všetok život na Zemi existuje, pretože svetlo

generované Slnkom produkuje potraviny a ohrieva našu planétu. Môžeme preto povedať, že fúzia je základom nášho života

Keď sa hviezdy tvoria, pôvodne pozostávajú z vodíka a hélia vytvorených vo veľkom tresku (Big Bang)- procesu, ktorý vytvoril náš svet

Izotopy vodíka sa zrážajú vo hviezde a pomocou fúzie sa vytvárajú jadrá hélia

Neskôr sa jadrá hélia dostávajú tiež do kolízie a tvoria sa ťažšie prvky

Fúzia je jadrová reakcia, v ktorej sa spájajú jadrá do väčšieho celku a tvoria ťažšie jadrá

To je základná reakcia, ktorá prebieha v Slnku

Ľahšie prvky vstupujú do fúzie a tvoria ťažšie prvky

Tieto reakcie pokračujú, pokiaľ sa z jadra nestane železo (hmotnosť asi šesťdesiat), jadro s najväčšou väzbovou energiou na jeden nuklid jadra

Keď jadro dosiahne hmotnosť šesťdesiat, viac k syntéze vo hviezde nedôjde, pretože je nepriaznivá

Akonáhle hviezda má prevedenú veľkú časť svojej hmotnosti jadra na železo, je takmer na konci svojho života  

Fúzia nemôže pokračovať pokiaľ sa všetko palivo vyčerpá

Niektoré hviezdy sa zmenšujú, až sa postupne skladajú iba zo železa

Avšak, ak je hviezda dostatočne masívna, veľká, môže nastať explózia

Hviezda sa náhle rozšíri a začne produkovať vo veľmi krátkom čase viac energie ako by vyrábalo naše Slnko po celý svoj život

Pri tomto úkaze nazývame danú hviezdu supernovou  Zatiaľ, čo je hviezda vo fáze supernovy, dochádza k

veľa dôležitým reakciám Jadrá sú urýchlené na oveľa vyššiu rýchlosť akú mali,

kým vo hviezde prebiehala len fúzia.

S dodanou energiou, spôsobenou ich rýchlosťami, môžu jadrá vyprodukovať prvky ťažšie ako železo

Extra energia je napájaná gravitačným kolapsom hviezdy pred výbuchom

Slúži na prekonanie coulombovskej bariéry i chýbajúcej energie endotermických reakcií

Ťažšie prvky vznikajú výhradne v endotermických reakciách

Prvky ako sú olovo, zlato a striebro sa objavili na Zemi, až po výbuchu supernovy ako jej pozostatky

Prvok železo, ktorý nájdeme po celej zemeguli a i v jej strede je priamym pozostatkom supernov a vyhasnutých hviezd

Dnes sa zameriava výskum jadrovej fúzie najmä na získanie lacného zdroja energie so zreteľom na mierové využitie

Atómové elektrárne, fungujúce na princípe štiepenia ťažkých a nestabilných jadier Uránu a iných typov transuránových prvkov zas narážajú na probémy s odpadom a bezpečnosťou a aktuálne je verejná mienka v mnohých krajinách naladená voči nim negatívne

Opačným procesom k štiepeniu (rozbíjaniu jadier) je fúzia (spájanie) ľahkých prvkov na ťažšie

Pri tomto procese sú problémy s odpadom menšie a zdroje ich paliva sú v podstate nevyčerpateľné

Palivo do týchto fúznych elektrární je ľahko dostupné, pretože je ním ťažký vodík (deutérium)

Na 6500 atómov Vodíka pripadá jeden atóm Deutéria a Trícia

5 ZÁVER Nedávno sa vo fúznom svete odohrala dôležitá udalosť,

pravdepodobne dôležitý krok vo výskume fúzie, keď sa dve veľké laboratóriá zaoberajúce sa fúziou, spolu fúzovali

Ide konkrétne o AWE (Atomic Weapons Establishment) a LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory)

Je to dobré znamenie a spolupráca hádam prinesie nové a hlavne pozitívne správy do budúcnosti

Fúzia nám ukazuje, ako využiť samotnú podstatu existencie hmoty (väzbovú energiu, ktorá drží jadrá atómu pohromade) na výrobu energie pre milióny ľudí na celom svete

Táto technológia ešte len čaká na úplné využitie potenciálu, ktorej výsledky budú slúžiť ľudskému pokoleniu mnoho rokov k spríjemneniu a uľahčeniu života.

Zdroje http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_200

7/champions/terorizmus/stranka/jadrovafyz.htm http://www.kf.fpv.ukf.sk/ABC_Nuclear_Science/basi

c.html